鄒國華　劉帥　蔡小蔓　鄧陽

摘要： 化學(xué)與生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，將化學(xué)學(xué)科知識運用于化工生產(chǎn)，需要運用工程思維，高中化學(xué)教學(xué)有必要培養(yǎng)工程思維。分析工程思維的內(nèi)涵和教學(xué)中培養(yǎng)工程思維的必要性，探索高中階段化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)工程思維的實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞： 工程思維; 化學(xué)教學(xué); 思維活動

文章編號： 10056629（2020）08000305

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

化學(xué)是一門古老而有活力、有價值的學(xué)科，與社會、生產(chǎn)、生活聯(lián)系緊密，化學(xué)的發(fā)展是推動科技進步和現(xiàn)代社會文明的重要力量。人類從原子、分子水平研究物質(zhì)，總結(jié)自然規(guī)律，其目的不僅是為了揭示物質(zhì)世界的奧秘，也是為了能創(chuàng)造和生產(chǎn)物質(zhì)，以改善人類的生活條件，保障人類的健康，推進人類文明的發(fā)展。將研究成果運用于生產(chǎn)生活是化學(xué)研究的最終目標，也是化學(xué)學(xué)科的價值體現(xiàn)。將化學(xué)學(xué)科知識運用于工業(yè)化生產(chǎn)，其過程包含了經(jīng)濟效應(yīng)的評估、工藝條件的選擇和控制、廢氣廢料的回收處理等思維活動，這些思維活動包含于工程思維中。

1? 工程思維的內(nèi)涵

思維是人類所具有的高級認識活動，按照信息論的觀點，思維是對新輸入信息與腦內(nèi)儲存知識經(jīng)驗進行一系列復(fù)雜心智操作的過程。人類針對不同的場合、工作性質(zhì)、價值追求進行思維活動時會有不同的思維方式，常見的思維方式有工程思維、科學(xué)思維和藝術(shù)思維。

從本質(zhì)上看，“創(chuàng)造”“發(fā)現(xiàn)”和“想象”分別體現(xiàn)了工程思維、科學(xué)思維和藝術(shù)思維三種思維與現(xiàn)實的關(guān)系，通過工程活動“創(chuàng)造”出現(xiàn)實世界中的“人工物品”需要的思維方式屬于工程思維;“發(fā)現(xiàn)”科學(xué)定律、規(guī)律所需的思維方式屬于科學(xué)思維;進行藝術(shù)創(chuàng)作活動中需要的“想象”過程屬于藝術(shù)思維[1]。

工程思維的主體是工程師、企業(yè)家和管理者，是在工程的設(shè)計、研究和實踐中形成的思維，工程思維的核心是籌劃性地運用各種知識解決工程實踐問題[2]。Shlomo Waks等通過對工程專家的訪談分析，總結(jié)出工程思維是一種有目的性、權(quán)衡性、創(chuàng)造性、系統(tǒng)性的具體思維[3]。宋蕊通過分析前人對工程思維的研究，認為工程思維具有系統(tǒng)性、權(quán)衡性、籌劃性，其次工程思維還具有邏輯性、科學(xué)性與創(chuàng)造性等特征[4]。

美國《新一代科學(xué)教育標準》首次將科學(xué)與工程實踐的內(nèi)容整合進基礎(chǔ)教育，明確提出了關(guān)于科學(xué)與工程實踐的表現(xiàn)性期望、類型、內(nèi)容以及具體的學(xué)習(xí)目標[5]。隨著全球STEM教育的發(fā)展，工程思維的培養(yǎng)逐漸走進基礎(chǔ)教育階段。目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究認為基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)的工程思維并非專業(yè)工程領(lǐng)域中的工程思維，而是利用解決工程問題的方法范式來解決真實情境問題的思維方式與習(xí)慣[6]。美國國家工程科學(xué)院（NAE）認為K12工程教育應(yīng)該促進學(xué)生工程思維習(xí)慣的發(fā)展，其中工程思維習(xí)慣的要求與21世紀基本能力一致，包括了系統(tǒng)思維、創(chuàng)造性思維、樂觀、合作、溝通與倫理道德等要素[7]。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的相關(guān)研究中，王美茹認為工程思維是從現(xiàn)實出發(fā)而不是從概念出發(fā)的一套具有創(chuàng)造性、系統(tǒng)性、科學(xué)性和現(xiàn)實性等特點的獨特思維方式與習(xí)慣[8]。李永勝認為工程思維包括籌劃性思維、規(guī)則性思維、科學(xué)性與藝術(shù)性兼容的思維、綜合集成性思維、構(gòu)建性思維、權(quán)衡性思維、差異化思維、價值性思維和過程性思維等[9];趙美嵐認為工程思維分為系統(tǒng)思維、運籌思維、整合思維、雙贏思維、形象思維和美感思維[10]。

可見，工程思維是系統(tǒng)的、復(fù)雜的思維方式，鑒于文獻研究與化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗，筆者認為中學(xué)化學(xué)教學(xué)可培養(yǎng)的工程思維要素包括創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、權(quán)衡性思維、價值性思維、雙贏思維，具體涵義如表1。

創(chuàng)造性思維一種具有開創(chuàng)意義的思維活動，即開拓認識新領(lǐng)域、開創(chuàng)認識新成果的思維活動。

系統(tǒng)性思維抓住問題的各個方面，又不忽視其重要細節(jié)，考慮問題要從整體出發(fā)，能夠很好地處理整體與局部關(guān)系的思維活動。

權(quán)衡性思維通過合理匹配各種要素，優(yōu)化選擇各種模式，調(diào)和各種不同需求，對多元價值目標（經(jīng)濟、社會、政治、技術(shù)、生態(tài)、審美等）和多種利益關(guān)系進行比較的思維活動。

價值性思維以滿足社會需要、實現(xiàn)并創(chuàng)造更大的價值為目標，對不同的價值目標與錯綜復(fù)雜的利益關(guān)系進行排序、組合、配置與平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)整合與優(yōu)化的思維活動。

雙贏思維在互惠、互利、平等下相互協(xié)作、共同發(fā)展的思維。提倡溝通合作、互利互惠，包含不同個體、單位、行業(yè)間的雙贏，人與自然的雙贏。

化學(xué)工程問題常是“結(jié)構(gòu)不良”或“無明確邊界”的問題，面對這類問題需要綜合運用學(xué)科知識創(chuàng)造性地解決問題;化學(xué)工程受到地域、氣候、資金、人力資源等限制，也受到速率、限度、原料等方面的影響，考慮問題要有全局意識，從整體出發(fā)，要預(yù)見可能的風險、危險及產(chǎn)品的可靠性，即要有系統(tǒng)性思維;如何合理匹配各要素，調(diào)和不同需求，如何平衡各種利益關(guān)系，需要有權(quán)衡性思維;化工生產(chǎn)目的是為社會生產(chǎn)出有價值的產(chǎn)品，同時獲得經(jīng)濟效益，如何讓生產(chǎn)的各方價值都最大化需要有價值性思維;生產(chǎn)中需要與其他企業(yè)、部門溝通合作以取得共同發(fā)展，同時，工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)于人類社會，應(yīng)踐行綠色發(fā)展、謀求人與自然和諧發(fā)展，不能以犧牲環(huán)境為代價，需要雙贏思維。

2? 化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)工程思維的必要性

目前理工科大學(xué)生普遍存在工程意識和思維能力不足，運用理論知識解決實際問題能力差的問題，加強學(xué)生工程思維能力培養(yǎng)已刻不容緩[11]。工程思維培養(yǎng)的責任不僅在高校，基礎(chǔ)教育階段也應(yīng)開展，化學(xué)教學(xué)中有必要培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

首先，工程思維是運用于解決復(fù)雜現(xiàn)實問題的思維方式，其本身具有重要性。學(xué)科知識和工程思維是指導(dǎo)工程生產(chǎn)的兩個保障，工程思維為復(fù)雜工程問題的解決提供思路和方法，也能遷移至生產(chǎn)、生活中復(fù)雜現(xiàn)實問題的解決。

其次，培養(yǎng)工程思維有助于促進學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)。以化工素材為載體，探索科學(xué)家和工程師的工作，厘清科學(xué)與工程之間的區(qū)別與聯(lián)系，能更深刻地理解學(xué)科與工程領(lǐng)域的知識與意義，從而激發(fā)學(xué)生的好奇心，吸引學(xué)生的興趣，鼓勵學(xué)生在該領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)[12]，增進對學(xué)科內(nèi)容的理解。

最后，培養(yǎng)工程思維有助于促進學(xué)生能力的發(fā)展。工程思維的培養(yǎng)以工程實踐過程為框架，以科學(xué)探究為方法，以任務(wù)解決為目標，系統(tǒng)地、權(quán)衡地進行工程設(shè)計，逐步迭代優(yōu)化方案，學(xué)生在復(fù)雜工程情景下的問題解決能力、團隊合作能力等也得到了發(fā)展[13]。

當然，培養(yǎng)工程思維也是為祖國培養(yǎng)從事化學(xué)工程方面研究人員、高級從業(yè)人員的需要;工程思維要素與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)蘊含的要素中有諸多重合之處，培養(yǎng)工程思維也是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的需要。

3? 教學(xué)中培養(yǎng)工程思維的實現(xiàn)途徑

基于設(shè)計的教學(xué)模式（Learn by Design，簡稱LBD）有利于實現(xiàn)工程思維的培養(yǎng)。Han等[14]認為，LBD的實施過程中應(yīng)包含的要素有： 選擇合適的工程項目;提供具體的學(xué)習(xí)素材;探究解決工程問題的策略;學(xué)生設(shè)計、實施和修正方案;交流、評價。王穎[15]、王奇?zhèn)16]借助LBD理論建構(gòu)工程思維培養(yǎng)的教學(xué)模型，模型包含創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)→搭建橋梁，建立聯(lián)系→設(shè)計實施，修改完善→交流評價，總結(jié)歸納四個環(huán)節(jié)，學(xué)生在機器人、手機支架等設(shè)計中發(fā)展工程思維。本文闡述的是以工程問題的解決范式來探究化工任務(wù)的解決以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，與設(shè)計制作作品的方式略有不同，但教學(xué)模型值得借鑒。筆者結(jié)合實際經(jīng)驗，將上述環(huán)節(jié)調(diào)整為： 創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)→分解任務(wù)，搭建橋梁→探究方案，修改完善→關(guān)注表現(xiàn)，及時評價。下面結(jié)合教學(xué)實踐予以介紹。

3.1? 創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

創(chuàng)設(shè)工程情境，明確有意義的工程任務(wù)，是培養(yǎng)工程思維的基礎(chǔ)。以真實的工程素材為情境，圍繞生產(chǎn)原理、原料的獲取、工藝條件的選擇與優(yōu)化、產(chǎn)品的制備與純化等方面設(shè)置工程任務(wù)，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時讓學(xué)生明確待解決的工程問題。

該環(huán)節(jié)應(yīng)遵循真實性、開放性、啟發(fā)性、適切性原則。真實性原則指工程情境以化工素材為載體，待解決的任務(wù)要真實且有意義;開放性原則指所設(shè)置的任務(wù)要滿足“結(jié)構(gòu)不良”或“無明確邊界”，需通過探究尋求解決方案;啟發(fā)性原則指所創(chuàng)設(shè)的情境應(yīng)有助于引導(dǎo)學(xué)生進行探索求解，啟示學(xué)生運用已儲備的知識和技能模擬工程從業(yè)人員處理工程問題;適切性原則指創(chuàng)設(shè)情境時應(yīng)考慮學(xué)生的生活經(jīng)驗和認知水平，工程問題往往錯綜復(fù)雜，要有適當?shù)臈l件限定和信息的指引。

筆者結(jié)合本市資源（兩家火電廠和一家環(huán)保公司），開設(shè)了“煙氣脫硝原理及工藝條件選擇的探究”省級公開課，教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境和預(yù)設(shè)的工程任務(wù)如表2。情境、任務(wù)滿足真實性等四原則，學(xué)生明確需完成的任務(wù)，并且提供了必要的提示信息。用真實工程素材激發(fā)學(xué)生探究興趣的同時讓學(xué)生意識到煙氣脫硝問題就在自己身邊，探索高效的脫硝方案必要且很有意義。

我市兩家火電廠年耗煤量約250萬噸，電廠燃煤煙氣中含大量氮和硫的氧化物，煙氣需脫硝、脫硫后才能排放到空氣中，火電廠所用的脫硝設(shè)備為我市××公司生產(chǎn)的SCR脫硝系統(tǒng)，其脫硝原理為氨氣與NOx、 O2作用生成N2和H2O，脫硝效率能達到90%以上。為降低煙氣中NOx的含量，減少環(huán)境污染，如何選擇工藝條件提高煙氣中NOx的脫除率？4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

4NH3（g）+6NO（g）5N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

4NH3（g）+2NO2（g）+O2（g）3N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

8NH3（g）+6NO2（g）7N2（g）+12H2O（g）? ΔH<0

3.2? 分解任務(wù)，搭建橋梁

工程中的問題往往是“結(jié)構(gòu)不良”或“無明確邊界”的問題，對學(xué)生而言可能難以逾越，需要將工程任務(wù)分解成若干個探究活動，每個探究活動還可根據(jù)需要細化為若干個任務(wù)，細化后的任務(wù)不僅能清晰確定教學(xué)中可納入的思維要素，還能確定解決問題所需的支架信息。

此處搭建橋梁包含兩層涵義： 一是打通任務(wù)與思維要素之間的壁壘，建立任務(wù)與工程思維要素之間的聯(lián)系;二是提供解決工程任務(wù)需要的知識與技能，搭建任務(wù)解決所需的信息橋梁。僅根據(jù)表2素材，學(xué)生難以完成“選擇工藝條件提高煙氣中NOx的脫除率”的工程任務(wù)，為此將任務(wù)拆分為“壓強探究”等四個探究活動，每個探究活動可細化成若干任務(wù)，以便確定可納入的思維要素和需提供的支架信息。限于篇幅，筆者以“壓強探究”為例（見圖1）進行介紹。

壓強的選擇需要運用速率、平衡等知識，任務(wù)1主要任務(wù)是激活解決任務(wù)2、 3所需要的基礎(chǔ)知識，搭建解決任務(wù)的支架;任務(wù)2引導(dǎo)學(xué)生抓住選擇壓強要考慮的各個方面因素，不忽視細節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維;任務(wù)3需要綜合考慮限度、速率、成本、安全風險等因素，對比、權(quán)衡后作出壓強選擇，培養(yǎng)權(quán)衡性思維;選擇合適壓強的原則是在保證脫硝效果的前提下降低成本，關(guān)注壓強選擇的價值，培養(yǎng)學(xué)生的價值性思維。

3.3? 探究方案，修改完善

工程思維是在工程問題的解決過程中發(fā)展和提升的，學(xué)生在已有知識和技能的基礎(chǔ)上，結(jié)合所收集的信息，探究問題解決、權(quán)衡方案、優(yōu)化方案、檢驗設(shè)計的合理性等過程的體驗，提升真實問題的解決能力，理解工藝設(shè)計的理性和方法。該環(huán)節(jié)是教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，更是落實工程思維培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，教師要充當好探究活動的組織者和引路人，可設(shè)計層層遞進的問題引導(dǎo)學(xué)生運用工程思維進行方案探究，并逐步修改完善。

例如，圖1中的“任務(wù)3”為發(fā)展學(xué)生的權(quán)衡性思維和價值性思維進行如下教學(xué)：

[教師]其他條件一定的情況下，脫硝工藝中壓強應(yīng)選擇低壓、常壓還是高壓？

[教師]請結(jié)合脫硝的反應(yīng)的化學(xué)方程式和相關(guān)化學(xué)知識進行探討。

[學(xué)生]小組討論后回答。組1： 選擇低壓;組2： 選擇高壓;組3： 選擇常壓……

[教師]我們先一起探討小組1的預(yù)設(shè)方案，請組1的同學(xué)回答，支持你們做出判斷的理由有哪些？

[學(xué)生]總體來說，脫硝反應(yīng)體積增大，低壓有利于平衡正向移動，提高NOx脫除率。

[教師]是否合理？其他組同學(xué)請回答。

[學(xué)生]不合理，低壓反應(yīng)速率慢，NOx脫除率會比較低。

[教師]是的，還得考慮速率問題。

[教師]高壓是否合理呢？請同學(xué)們評價。

[學(xué)生]也不合理，高壓反應(yīng)逆向移動，不利于煙氣脫硝。

[教師]是的，高壓也不合適。我們在壓強選擇時，不僅要考慮速率、限度問題，還要考慮成本、安全風險等問題。

[教師]常壓是否可行呢？請結(jié)合以上提示信息進一步探討。

[學(xué)生]從限度角度來看，脫硝的4個反應(yīng)式總體氣體分子數(shù)增大，但增大不多，如4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g），左邊9分子氣體，右邊10分子氣體，所以壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設(shè)備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。

[教師]正確，理由也闡述得很清晰，你的選擇與我們市火電廠脫硝時選擇的壓強是一致的！我們的目標是在保證脫硝效果、安全生產(chǎn)的前提下盡可能降低成本、能耗。

通過引導(dǎo)學(xué)生對比三種壓強下的速率、限度、成本和安全風險，最終做出合理選擇，發(fā)展了權(quán)衡性思維，壓強選擇最終是為了保證脫硝效果的基礎(chǔ)上實現(xiàn)效益的最大化，培養(yǎng)學(xué)生的價值性思維。

3.4? 關(guān)注表現(xiàn)，及時評價

評價的目的是為教學(xué)提供反饋，調(diào)整、改進教學(xué)，促進學(xué)生的思維培養(yǎng)，評價的對象不是學(xué)生最終設(shè)計的方案或答案，而是學(xué)習(xí)表現(xiàn)所反映的工程思維水平。對于工程思維的評價，可借助學(xué)習(xí)進階理論[17]將工程思維要素進行水平劃分，通過學(xué)生的表現(xiàn)或測試結(jié)果分析其工程思維要素所對應(yīng)的水平等級，進而對工程思維進行量化評價。下面以權(quán)衡性思維為例，構(gòu)建進階層次，并對每個層次賦予一定分值（見圖2），在工程思維的培養(yǎng)過程中，通過活動評價或者紙筆檢測判斷學(xué)生權(quán)衡性思維所處的水平等級，并記錄分數(shù)，使得思維評價變得可視化和量化。

高低水平3： 能自主搜索證據(jù)資料進行多因素利益關(guān)系對比權(quán)衡（3分）

水平2： 能進行給定信息的多因素利益關(guān)系對比權(quán)衡（2分）

水平1： 能進行單因素利益關(guān)系對比權(quán)衡（1分）

例如，“其他條件一定情況下，脫硝工藝中壓強應(yīng)選擇低壓、常壓還是高壓？”探究活動中可根據(jù)學(xué)生的回答評價其權(quán)衡性思維的等級，具體如表3。通過數(shù)據(jù)比對，為個體在群體中工程思維發(fā)展水平提供參考。

未給信息提示從限度角度來看，脫硝的4個反應(yīng)式總體氣體分子數(shù)增大，但增大不多，壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設(shè)備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。能自主綜合考慮限度、速率、成本、安全風險等兩種以上因素進行分析，且分析過程正確的定為水平3。3

未給信息提示“選擇低壓，因為低壓能使脫硝反應(yīng)的平衡正向移動，提高NOx脫除率”或“選擇高壓，高壓能加快反應(yīng)速率，單位時間內(nèi)提高NOx脫除率”。能從限度、速率、成本、安全風險等因素中的一個角度進行分析，且分析過程正確的定為水平1。1

應(yīng)考慮速率、限度、成本、安全風險等因素從限度角度來看，脫硝的4個反應(yīng)式總體氣體分子數(shù)增大，但增大不多，壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設(shè)備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。信息提示前只進行了單因素分析，且分析過程正確，但提供信息后，能進行多因素分析，且分析過程正確的定為水平2;若多因素分析錯誤的仍定為水平1。2

目前我國對中學(xué)階段化學(xué)教學(xué)中培育工程思維的研究還比較少，但可行且很有必要。本文拋磚引玉，對化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)工程思維進行探索嘗試，有不當之處，請批判指正。

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